射频消融(RFA)作为一种基于能量的消融形式,通过电阻热来实现对肿瘤的摧毁。整个RFA系统通常包括一个射频能量源、一根或多根电极针、以及一块或多块接地板,加上人体可以共同形成一个完整的电路回路,其中电极针可以在影像引导设备(如,超声成像,CT,MRI)的辅助下插入人体内的目标组织位置并向其传输射频能量。在微观上,RFA治疗中电阻热的产生是来自于460-500kHz的交流电场下生物组织内离子和电子的振荡和相互摩擦。尤其,在电极针的输入尖端附近有着最大的电流强度,能够将附近组织的温度加热至组织细胞(包括肿瘤细胞)的致命温度。由于RFA治疗仅需将电极针穿刺入人体内对病变组织进行物理治疗,因此它有着创伤小、痛苦小、病人恢复快、和较少并发症等优点,被广泛用于各种无法进行肿瘤切除治疗的患者或小肿瘤患者的治疗。在小肿瘤(直径小于3 cm)的治疗中,RFA治疗后的术后存活率已经达到与手术切除治疗术后存活率相当的水平。因此,RFA在临床治疗中已经被选作为治疗小肿瘤(尤其是肝肿瘤)的首选治疗方案之一。但是,不幸的是对于大肿瘤(直径大于3 cm)RFA的单根电极针或单次治疗仍难以实现肿瘤的完全消融,而消融的不完全更是导致肿瘤局部复发和后续治疗失败的主要因素。这将直接导致临床患者术后存活率的降低,以及复发率的升高。论文工作主要针对上述问题进行研究,进一步提升RFA的功效。论文工作的总体目标是从物理和化学两个领域上分别提出新的增强RFA消融功效的方法从而增大消融区域和实现肿瘤的完全消融。进而可将总体目标划分为三个子目标。研究目标1:证明大肿瘤和小肿瘤的RFA治疗效果有显著性差异。研究目标2:利用公理化设计理论(ADT)优化射频电极结构来扩大消融区域。研究目标3:研究化学方法来改变组织特性,促使组织能够承受更多的射频能量,从而扩大消融区域。关于研究目标1,进行了 RFA术后随访数据的统计学分析。研究对上海仁济医院RFA治疗后145例肝肿瘤患者病例的术后随访数据进行了统计学分析,从年龄、性别、肝功能水平、肿瘤直径、肿瘤数量、肿瘤位置这几个方面考虑术后病患的总体存活率和无复发存活率,其结果表明大肿瘤患者的总体存活率要显著低于小肿瘤患者的总体存活率。关于研究目标2,研究工作基于公理化设计理论(ADT)提出了一种新型RFA电极针物理结构的概念设计。随后对于所设计的电极针进行了体外实验和计算机仿真,以验证设计方案对于提升消融效果的可行性和有效性。其结果表明:1)RFA电极针裸露端的结构会显著影响组织内的电场和温度场的分布;2)所优化设计的电极针能够实现3.5 cm直径肿瘤的消融。关于研究目标3,选用了两种无生物毒性和具有生物相容性的阳离子聚合物(壳寡糖(COS)和羧甲基壳聚糖(CMC))来增加生物组织的导电性,实现局部消融环境的优化。另外,COS和CMC由于其相较于传统的生理盐水(普遍被用以增强RFA消融效果)有更高的动力粘度,能够更加容易的控制阳离子聚合物溶液在组织内的分布模式,这能够有助于实现消融范围的可预测。进一步,研究同时通过活体体内实验和计算机仿真来证明了 COS和CMC对于RFA消融效果的提升有积极作用,其结果可以总结为以下两点:1)COS和CMC溶液的注入能够显著性的提升肝脏组织的导电性;2)在扩大RFA消融范围和改善消融形状这两方面,阳离子聚合物溶液能够显著地改善RFA治疗的表现。综上所述,研究工作主要包括以下三点贡献:1)提出了一款RFA电极针的结构设计,有效提升了 RFA的消融范围和改善了 RFA的消融形状,并通过蛋清实验和仿真进行了验证;2)找到了两种阳离子聚合物(COS和CMC),在RFA治疗前预先注入COS和CMC溶液能有效提升RFA功效并保证消融区域的规整性;3)对RFA的体内溶液扩散的消融模型进行了体内验证,提供了模型的实验依据。